引用本文
谢运河, 纪雄辉, 吴家梅, 田发祥, 官迪, 朱坚. 基于饲草配方优化的肉牛养殖系统镉平衡分析. 草业科学, 2016,33(10):2111-2118
Xie Yun-he, Ji Xiong-hui, Wu Jia-mei, Tian Fa-xiang, Guan Di, Zhu Jian. The Cd balance analysis of beef breeding system based on the optimization of forage formula. Pratacultural Science,2016,33(10): 2111-2118  
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《草业科学》编辑部
基于饲草配方优化的肉牛养殖系统镉平衡分析
谢运河1,2,3, 纪雄辉1,2,3, 吴家梅1,3, 田发祥1,3, 官迪1,3, 朱坚1,2,3
1.湖南省土壤肥料研究所/农业部长江中游平原农业环境重点实验室,湖南 长沙 410125
2.中南大学研究生院隆平分院,湖南 长沙 410125
3.南方粮油作物协同创新中心,湖南 长沙 410125
纪雄辉(1965-),男,湖南平江人,研究员,博士,主要从事农业生态环境研究。E-mail:jixionghui@sohu.com

第一作者:谢运河(1982-),男,湖南新化人,助理研究员,博士,主要从事农业生态环境研究。E-mail:yunhexie@163.com

收稿日期: 2016-06-14
基金: 国家科技支撑计划课题(2012BAD14B17-1)湖南省青年人才培养联合基金(14JJ6056)
摘要

采用线性规划求解方法,通过评价饲草干物质含量、粗蛋白含量、综合净能、肉牛能量单位及肉牛营养需求等指标,对春、夏、秋、冬饲草进行配方优化。结果表明,春季饲草优化配方为燕麦( Avena sativa)、稻草、黑麦草( Lolium perenne)和玉米( Zea mays),其干物质比重分别为47.26%、36.55%、13.45%和2.74%;夏季为桂牧一号( Pennisetum purpureum cv. Guimu No. 1)、玉米和稻草,其干物质比重分别为91.25%、8.49%和0.26%;秋季为桂牧一号、玉米和红薯,其干物质比重分别为89.30%、9.01%和1.70%;冬季为燕麦、稻草、红薯( Dioscorea esculenta)、黑麦草和玉米,其干物质比重分别为50.26%、25.59%、17.49%、5.61%和1.04%。同步监测肉牛养殖系统饲草、饮用水、牛粪尿以及牛肉中的镉(Cd)含量,计算肉牛养殖系统Cd输入输出动态可知,单头肉牛Cd年输入量为753.70 mg,年输出量为747.02 mg,系统Cd的输入与输出基本持平。Cd输入中,饮用水及饲料添加剂对Cd年度总输入的贡献率仅分别为0.05%和4.56%,而饲草的贡献率高达95.39%;Cd输出中,牛肉和牛尿对Cd年度总输出的贡献率仅分别为0.46%和0.06%,而牛粪的贡献率高达99.48%。可见,控制饲草Cd含量和调控牛粪Cd输出分别是减少Cd进入养殖系统和增加养殖系统Cd输出的最主要途径,而因牛的粪尿流出肉牛种养系统,每头每年带出的Cd为226.55 mg,占Cd年输出量的30.33%。利用清洁地域建立“饲草-肉牛-牛粪-饲草”种养系统,可实现饲草自给、废弃物安全消纳的同时,确保饲草和肉牛质量安全,实现该系统在低Cd环境下循环运行。

关键词: 肉牛; 镉; 饲草; 配方优化; 循环农业; 质量安全
中图分类号:S816 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)10-2111-08 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0683
The Cd balance analysis of beef breeding system based on the optimization of forage formula
Xie Yun-he1,2,3, Ji Xiong-hui1,2,3, Wu Jia-mei1,3, Tian Fa-xiang1,3, Guan Di1,3, Zhu Jian1,2,3
1.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province/ Ministry of Agriculture Key Lab of Agri-Environment in the Midstream of Yangtze River Plain, Changsha 410125, China
2.Longping Branch of Graduate School, Central South University, Changsha 410125, China
3.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410125, China
Corresponding author:Ji Xiong-hui E-mail: jixionghui@sohu.com
Abstract

This study aimed to use linear programming method for forage formulation optimization by dry matter (DM), crude protein (CP), combined net energy (NEmf), beef energy unit (RND) of forage and beef nutritional needs in spring, summer, autumn and winter. Forage formulation optimization in spring including oats, straw, ryegrass and maize with their proportions of dry matter were 47.26%, 36.55%, 13.45% and 2.74% respectively, and Guimu 1 grassy, corn and rice straw in summer with dry matter proportions of 91.25%, 8.49% and 0.26% respectively , and Guimu 1 grassy, corn and sweet potato in autumn by proportions of 89.30%, 9.01% and 1.70% respectively, and oats, rice straw, sweet potato, ryegrass and maize in winter by proportions of 50.26%, 25.59%, 17.49%, 5.61% and 1.04% respectively. There was a state of basically flat between input and output of Cd in beef breeding system by monitoring the Cd contents in forage, drinking water, dung and beef and calculating the input and output dynamic, and the single head beef’s Cd annual input was 753.70 mg while the output was 747.02 mg. In the Cd annual input of beef breeding system, the annual total Cd accumulation contribution rate of beef’s drinking water and fodder additives were 0.05% and 4.56% respectively, while the contribution rate of beef’s forage was 95.39%. The Cd annual total output contribution rates of beef meat and beef urine were 0.46% and 0.06% respectively, while the contribution rate of beef dung was 99.48%. The main ways to reduce the Cd input and increase the Cd output in farming system were to control the Cd content of forage and regulate the Cd output of dung. The net output of Cd per beef in this beef breeding system was 226.55 mg·head-1, accounting for 30.33% of Cd total output. Therefore, the beef breeding system of “forage-beef-dung-forage” building at clean territory could achieve the purpose of forage self sufficient and beef wastes security consumptive, and it ensured the quality of beef forage and beef meat and the system operating in cycle in the low Cd level.

Keyword: beef; cadmium; forage formula; programming solver; circular agriculture; quality safety

随着人们生活水平的提高和膳食结构的改变, 人们对牛肉的需求量越来越大, 对牛肉质量的要求也越来越高, 牛肉的营养与安全越来越受到人们的关注。肉牛日粮营养作为肉牛供应链的首要环节, 如何确保营养供给的安全有效显得格外重要。日粮中的能量、蛋白质和矿物质是肉牛日粮营养中不可或缺的, 同时也是调控肉质的基础。在配制日粮时, 只有满足肉牛这几方面的营养需要, 才能保证牛肉在感官、营养、卫生安全和加工等诸多方面取得最佳特性, 进而生产出安全、优质的牛肉。国外发达国家的经验表明, 畜牧业的迅速发展是以挖掘牧草和其它绿色饲料的潜力并突出发展草食畜禽生产为前提的, 欧美发达国家其畜产品的65%~70%是由牧草转换而来, 而中国仅为8%[1]。发展中国家用80%的耕地种粮食, 意在追求粮食的高产量; 而发达国家用40%~60%的耕地种草, 15%左右的耕地种饲料谷物, 其余的耕地种粮食, 目的是提高农田的综合效益[1]。因此, 走出“ 粮草争地” 的认识误区, 通过调整农业产业结构, 实行粮食作物、经济作物以及优良牧草产业的共同发展, 推行草田轮作或混作制度, 促进畜牧业与农业的可持续发展, 对国家的食物安全、农业经济发展和生态环境的优化都起着至关重要的作用[2]。但由于我国养殖户的饲养技术参差不齐, 大多数养殖户或部分规模养殖场精饲料配方不合理, 精粗搭配不科学, 不仅生产效率低, 而且造成资源浪费。因此, 通过开发利用饲料资源, 降低肉牛养殖成本[3], 设计饲料的合理配比, 发挥肉牛最佳的生产性能, 是优质高效肉牛养殖的可行途径。本研究采用线性规划求解方法对肉牛饲草配方进行优化, 最大程度实现饲草本地化, 降低肉牛饲养成本; 同时, 通过牛粪尿还田种植饲草, 以强化基地种养系统内部物质的循环利用, 实现饲草优质高产与肉牛养殖废弃物安全消纳。

近年来, 由于社会上不时爆发食品安全事件, 尤其是食品的重金属污染对人们的身心健康产生着极大的威胁。其中, 镉(Cd)是可通过食物链逐渐富集并对泌尿系统造成损害的一种重金属, 为世界卫生组织(WHO)列为第6位危害人体健康的有毒物质。且随着人们对畜禽产品质量安全关注度的提高, 人们对畜禽饲料质量安全的关注度也日益增加, 而饲草生产是禽畜产品生产的源头, 因此, 饲草质量安全也就是禽畜产品质量安全的第一道关口。加强饲草质量安全管理工作, 是新世纪新阶段加快发展优质、高产、高效、生态、安全的饲草生产, 推进现代农业建设的重要举措。畜禽饲料Cd超标及其危害已有大量报道[4, 5, 6], Cd超标既影响了饲草的生长, 也会对畜禽产生毒害[7, 8, 9], 如何控制Cd在饲料中的污染, 减少畜禽产品中的残留、提高食品安全性越来越受到人们的关注。也有研究表明, 肉牛养殖与其饲养环境密切相关, 贵州牛组织Cd含量与饲养环境中的土壤、饲料和饮用水源Cd含量及污染程度密切相关[10, 11, 12]; 对贵州Cd污染矿区、清洁区及中间过渡带“ 土壤-饲草-羊肉” 食物链中Cd的流动的研究表明, 土壤Cd含量高导致的牧草Cd含量高是引起肉羊部分部位Cd超标的主要原因[13]。可见, 重视饲草生产环境质量, 加强饲草质量监管, 提高饲草质量安全水平, 对控制肉牛质量安全具有极其重要的意义。本研究选择清洁流域, 通过优化饲草配方, 规划饲草种植方案, 利用饲草喂养肉牛, 再用牛粪尿种植饲草, 实现饲草本地化和肉牛养殖废弃物的安全消纳。同时, 监控土壤、饲草、牛肉和牛粪尿中的Cd含量, 以探明Cd在“ 土壤-饲草-肉牛-牛粪尿-土壤” 种养系统中的物流情况, 为肉牛饲草质量安全控制策略的制定及系统重金属Cd的污染风险评估提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验设在长沙县金井镇脱甲试验基地(28° 33'32.83″ N, 113° 20'16.19″ E), 地处金井镇金井河流域, 位于湘江一级支流捞刀河的上游, 属河中丘陵盆地与洞庭湖平原之间的过渡地带, 属亚热带季风气候。基地总面积105 hm2, 其中林地占65.5%, 农田占26.6%, 园地占2.4%, 水面占2.9%, 居民用地占2.5%。基地以肉牛养殖为主线(养殖规模:存栏量50头, 单头肉牛平均体重400 kg、日增重0.5~0.7 kg), 配套饲草种植和牛粪尿消纳体系。

1.2 饲草配方优化方法

肉牛饲草配方依据基地肉牛平均体重约400 kg、目标日增重0.7 kg两个指标, 采用线性规划求解方法进行优化。饲草配方优化设置干物质含量(DM)、粗蛋白含量(CP)、综合净能(NEmf)、肉牛能量单位(RND)4个参数, 查阅肉牛饲养标准[14]可知体重400 kg、日增重0.7 kg的肉牛养殖参数限量值分别为DM 7.66 kg、CP 763 g、NEmf 41.76 MJ、RND 5.17 个, 再按春、夏、秋、冬饲草资源和饲草营养进行规划求解[15, 16, 17]。

肉牛日营养需要量[日干物质进食量(DMI)、CP、NEmf、RND]以及各种饲草主要营养指标(CP、NEmf、RND)由肉牛饲养标准[14]查出; 饲草的DM由饲草105 ℃ 杀青1 h后, 80 ℃烘干至恒重后称重。

1.3 采样方法

2014年3月至2015年2月分为4个季节, 对基地土壤及相关试验样品进行取样。基地土壤样品每10~15亩(约合0.67~1.0 hm2)取样一份, 共42份; 肉牛饲草样品、饲料添加剂、饮用水以及牛粪、牛尿每月取样3次, 牛肉在屠宰时取样。共取饲料添加剂样品36份、肉牛饮用水样品36份、牛粪样品36份、牛尿样品36份、玉米(Zea mays)样品36份、青贮玉米样品9份、稻草样品36份、燕麦(Avena sativa)样品18份、黑麦草(Lolium perenne)样品18份、桂牧一号(Pennisetum purpureum cv. Guimu No. 1)样品18份、红薯(Dioscorea esculenta)及红薯茎叶样品各18份、路边的野草9份、牛肉样品4份。

1.4 测定方法

Cd含量测定:称粉碎过筛样品0.25 g左右置于消煮管中, 采用HNO3-H2O2微波消解, 定容后过滤, 用ICP-MS测定Cd含量[7]。为确保数据的可靠性和稳定性, 植株Cd含量测定时每5个样品做一次平行, 每40个样带一个质控样; ICP-MS检测采用铑(Rh)做内标, 回收率90%~105%。

1.5 数据处理

采用SPSS 17.0及Microsoft Excel 2003进行数据统计分析。

2 结果与分析
2.1 基地主要饲草资源及其营养指标

基地以肉牛养殖为主线, 结合上游牧草种植及下游牛粪尿消纳, 形成一个物质循环利用的种养系统。基地肉牛饲料主要由玉米和饲草组成, 其中玉米主要由外地采购, 饲草则由基地生产。四季基地饲草分布情况为:春季有稻草、燕麦和黑麦草等, 夏季有稻草、玉米、桂牧一号和野草等, 秋季有稻草、青贮玉米、桂牧一号、红薯、红薯茎叶等, 冬季有稻草、燕麦、黑麦草、红薯、红薯茎叶等。

饲草主要营养指标见表1, 不同饲草的CP、NEmf和RND不同。以干重计算, 饲草CP含量为2.8%~19.4%, 最高的为黑麦草, 其次为野草, 最低的为稻草; NEmf含量为2.14~9.12 MJ· kg-1, 最高的为玉米, 其次为红薯, 最低的为野草; RND为0.14~1.13个, 最高的也是玉米, 其次为红薯, 最低的为野草。

表1 基地主要肉牛饲草的营养指标 Table 1 Main nutritions of forage grass in beef cattle breeding base
2.2 饲草配方优化

根据饲草四季分布及主要营养指标(DM、CP、NEmf、RND)进行线性规划求解(表2)。春、夏、秋、冬四季饲草配方优化后饲草总干重为7.66 kg, 总鲜重分别为31.79、35.75、35.54和34.59 kg。饲草配方优化后春季主要成分为燕麦、稻草、黑麦草及玉米, 其干物质比重分别为47.26%、36.55%、13.45%和2.74%; 夏季饲草主要成分为桂牧一号、玉米和稻草, 其干物质比重分别为91.25%、8.49%和0.26%; 秋季饲草主要成分为桂牧一号、玉米和红薯, 其干物质比重分别为89.30%、9.01%和1.70%; 冬季饲草主要成分为燕麦、稻草、红薯、黑麦草和玉米, 其DM含量分别为50.26%、25.59%、17.49%、5.61%和1.04%。

表2 肉牛饲草优化配方的饲草组成及重量 Table 2 Forage composition and weight of beef cattle forage optimization formula

肉牛饲草优化配方的养分指标如表3, 春、夏、秋、冬四季的DM、CP、NEmf与标准的肉牛日营养需要量相同, 仅夏、秋季RND比标准的肉牛每日营养需要量降低了0.6%。

2.3 肉牛养殖系统的Cd输入输出平衡分析
表3 肉牛饲草优化配方的单日养分指标 Table 3 The nutrient content of beef cattle forage optimization formula

测定42个土壤样品Cd的含量为0.238 4 mg· kg-1, 低于土壤环境质量标准(0.3 mg· kg-1), 为清洁土壤。优化饲草配方后入选的饲草Cd的含量皆低于0.5 mg· kg-1, 达到饲草重金属限量国家标准(GB 13078-2001)。

Cd主要通过肉牛饮食和饮水进入养殖系统, 包括水和饲料, 而饲料又分为饲料添加剂和配方饲料; Cd输出主要包括牛粪、牛尿和出栏牛体。由养殖系统日输入输出物质Cd浓度(表4)可知:Cd的输入中, 饮用水Cd含量为0.017 4~0.035 8 μ g· kg-1, 平均为0.023 4 μ g· kg-1, 远低于地表水环境质量标准[18](Ⅱ

类标准0.005 mg· kg-1); 饲料添加剂Cd含量范围为0.174 4~0.211 6 mg· kg-1, 平均为0.188 2 mg· kg-1, 不同时间采购的精饲料Cd含量略有波动; 配方饲料中的玉米、稻草、燕麦、黑麦草、桂牧一号和红薯Cd平均含量分别为0.037 8、0.449 9、0.207 5、0.245 8、0.268 2和0.004 8 mg· kg-1, 配方饲料原料Cd含量年度间较稳定, 其中稻草Cd含量最高, 其次为黑麦草、桂牧一号、燕麦, 再次为玉米和红薯。Cd输出中牛尿Cd平均含量仅为0.029 9 μ g· kg-1, 略高于饮用水; 而牛肉Cd含量也仅为0.019 1 mg· kg-1, 远低于食品安全国家标准规定的0.2 mg· kg-1; Cd输出浓度最高的为牛粪, Cd平均含量为0.337 8 mg· kg-1, 低于有机肥标准重金属限量标准规定的0.5 mg· kg-1, 可作为有机肥安全施用。

表4 养殖系统日输入和日输出物质的Cd含量 Table 4 The cadmium content of the daily input and output in farming system

从Cd的年度输入输出量可知(表5), 养殖系统单头肉牛Cd年度总输入量为753.70 mg, 年度总输出量为747.02 mg, 输入量比输出量高6.68 mg, 占总输入量的0.9%。Cd输入量中, 饮用水Cd年度总输入量为0.37 mg, 占Cd年度总输入量的0.05%; 精饲料Cd年度总输入量为34.36 mg, 占Cd年度总输入量的4.56%; 配方饲草Cd年度总输入量最多, 占Cd年度总输入量的95.39%, 配方饲草中Cd输入量由高至低依次为桂牧一号> 稻草> 燕麦> 黑麦草> 玉米> 红薯, 其中桂牧一号Cd输入量占Cd年度总输入量的45.02%, 稻草、燕麦、黑麦草、玉米、红薯的Cd输入量分别占Cd年度总输入量的26.49%、18.74%、4.30%、0.76%和0.09%; Cd输出量中, 牛肉Cd年度总输出量为3.44 mg, 占Cd总输出量的0.46%, 牛尿Cd年度总输出量为0.41 mg, 占Cd总输出量的0.06%; 而牛粪年度Cd总输出量为743.17 mg, 占Cd总输出量的99.48%。

表5 养殖系统Cd年输入和年输出量(mg) Table 5 The Annual input and output of Cd (mg) in farming system
3 讨论

肉牛的日粮是指每天每头肉牛所采食的总饲料组分的数量。总的要求是既要吃饱, 还要吃好, “ 吃饱” 是指每天每头牛能采食足够数量且品质优良的各种饲料; “ 吃好” 是要满足肉牛生长发育和充分发挥生产性能的各种营养需要, 包括水、蛋白质、能量、矿物质和维生素等。本研究中, 肉牛饲料分为配方饲料与饲料添加剂两部分, 配方饲料包含精饲料与粗饲料, 精饲料主要为玉米, 配合部分红薯, 其余皆为粗饲料, 在春、夏、秋、冬四季的配方中精饲料所占DMI的比重分别为2.74%、8.49%、10.71%、18.53%, 而粗饲料所占比重皆高于80%。其中, 玉米所占DMI的比重分别为2.74%、8.49%、9.01%和1.04%, 可见, 采用线性规划求解方法, 根据基地饲草四季分布及其主要营养指标(DM、CP、NEmf、RND)进行饲草配方优化, 不仅充分供应了肉牛营养, 饲料中对外采购部分(玉米)所占比重也皆低于10%, 90%以上为基地自给, 在大大减少饲料采购成本的同时实现了基地饲草的最大化利用, 但基于不同目的建立的饲草配方模型不同, 计算得到的饲草优化配方也存在差异。本研究地为清洁流域, 在牧草Cd含量达到国家相关标准的前提下建立本模型进行分析, 因此, 在其它存在Cd污染超标或Cd污染风险的流域建立饲草配方优化模型应添加牧草Cd含量限量指标。

本研究地肉牛饮用水、饲草及饲料添加剂的Cd含量监测结果表明, 其皆达到相关国家标准要求。从养殖系统Cd的年度输出输入量可知(表5), 饮用水及饲料添加剂对Cd年度总输入的贡献率非常小, 分别为0.05%和4.56%, 最主要的是饲草, 其对Cd年度总输入的贡献率达95.39%。因此, 控制饲草Cd含量是减少Cd进入养殖系统的最主要途径:一方面在饲草种植过程中采用钝化剂与有机肥配套种植方法, 减少饲草对Cd的吸收[19, 20]; 另一方面, 可通过设置经验参数优化饲草配方, 降低高Cd含量饲草份额, 增加低Cd含量饲草比重。在Cd输出中, 牛肉和牛尿对Cd年度总输出量的贡献率分别为0.46%和0.06%, 而牛粪对Cd年度总输出量的贡献率达99.48%, 但其Cd含量也仅为0.337 8 mg· kg-1, 符合有机肥国家标准。本基地采用发酵后的牛粪做饲草的基肥, 并用管道输送牛尿做饲草追肥, 同时辅以少量的尿素等无机肥料, 生产的饲草Cd含量皆达到相关标准。据统计, 本研究地肉牛饲草的生产需要用掉约70%的腐熟牛粪和40%的牛尿, 其余的牛粪及牛尿用于研究地水稻、蔬菜等作物的生产。在本肉牛养殖系统的“ 饲草-肉牛-牛粪-饲草” 的生物链中, 单头肉牛Cd年输入量为753.70 mg, 输出量为747.02 mg, 输入输出基本持平。

系统Cd的输出中, 牛粪中的Cd流入饲草种植系统的按70%、牛尿按40%计算, 再次进入肉牛养殖系统的Cd为520.47 mg, 而流出系统的为226.55 mg, 流出系统的Cd占总输出量的30.33%。忽略因打药、种子种苗以及饲草种植过程中补充的尿素带入的Cd, 系统外输入的Cd主要由饲料中的玉米带入, 其带入量为5.71 mg, 系统Cd净流出220.84 mg。此外, 在清洁土壤生产饲草供给基地肉牛养殖, 适当采用钝化剂与有机肥配套的栽培技术[16], 以确保饲草低Cd安全生产与肉牛质量安全, 同时肉牛产生的Cd含量安全的优质有机肥除了充分供应饲草的生产, 还可部分供应基地其他作物生长需求, 确保养殖系统整体在低Cd安全范围循环运作, 既可实现饲草自给, 又可实现肉牛养殖废弃物的安全消纳。

4 结论

不同饲草的CP、NEmf、RND含量皆不相同, 进行饲草营养配方优化, 可有效确保肉牛饲草营养需求和饲草资源的高效利用。利用清洁流域建立“ 饲草-肉牛-牛粪-饲草” 的循环种养系统, 系统内生产的饲草、牛肉、牛粪Cd含量皆符合国家相关标准。在肉牛养殖环节中, Cd最主要的输入源是饲草, 因饲草带入的Cd占总输入量的95.39%, 肉牛饮用水及饲料添加剂输入量的Cd仅占总输入量的4.61%; Cd最主要的输出源是牛粪, 因牛粪输出的Cd占总输出量的99.48%, 牛尿及牛肉输出的Cd仅占总输出量的0.52%。严格管控饲草Cd含量, 即可实现“ 饲草-肉牛-牛粪-饲草” 系统在低Cd环境下可持续运行; 而产生的过剩的牛粪用于种植水稻或蔬菜, Cd也随之流出系统, 系统Cd为净输出, “ 饲草-肉牛-牛粪-饲草” 种养系统进入良性循环。

The authors have declared that no competing interests exist.

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